JP2006512034A - コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

電気的に刺激されるスマート材料を使用する装置は、材料を刺激するための電源を必要とする。この電源は、（１）スマート材料の両端への既知の電位の印加、（２）制御電圧からスマート材料に適した水準への変換、（３）制御入力に基づいた電圧の調整という３つの主要機能を有している。電源は、可変の刺激電圧の供給またはアクチュエータの能動的放電によって得られる特別な特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。また、回路は、充電ポイントと放電ポイントの間で不感帯またはヒステリシスも提供する。この回路を機械的梃子作用を用いる比例式スマート材料アクチュエータに利用すると、多目的産業用アクチュエータは、費用対効果の高い解決手段となる。

Description

本発明は、スマート材料をベースとする多目的な比例式アクチュエータを制御するための電子的方法および回路に関する。

本願は、２００２年９月５日出願の米国特許仮出願第６０／４０８４６８号の継続出願である。本願は、コンデンサを充電および放電するための装置および方法に関する２００２年９月５日出願の米国特許仮出願第６０／４０８２７７号の継続出願に関連する。

広範囲にわたる用途のためのアクチュエータ技術が開発されている。一例には、電気的刺激に応答して形状を変える、機械的梃子作用を用いるスマート材料アクチュエータが含まれる。この形状変化は入力電圧に比例する。この形状変化は、主に単一の軸に沿ったかたちで行うことが可能なので、このようなアクチュエータは、何らかの主要な支持構造と組み合わせて梃子を含む関連する機械システムで作業を実行するために使用できる。有用な大きさの力および変位量を有するアクチュエータを作成するために、軸方向変位の変化が梃子により増大される。このような力および変位は、多目的工業用バルブ、クランプ、飲料自動販売機、コンプレッサまたはポンプ、制動装置、ドアロック、継電器、回路遮断器、およびソレノイド、モータ、または様々な伝達手段と組み合わせたモータを含む手段によって作動されるその他の応用例で有用である。

しかし、スマート材料、具体的には圧電材料を作動させ変位を生じさせるには、数百ボルトが必要となる可能性がある。このような電圧は容易に利用可能でないことがあり、電池を用いる場合と同様に、より低い電圧から得なければならないことがある。

圧電材料の別の特徴は、この材料が本質的に容量性であるということである。さらに、単一のアクチュエータは、制御信号、主要電源、および接地という３つの別々の信号を使用してしばしば制御される。

コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための装置は、スマート材料アクチュエータと、スマート材料アクチュエータを比例的に動作させるための電圧制御式直流（ＤＣ）／直流コンバータとを含む。電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータはさらに、トランスの１次コイルに接続された、位相が１８０度異なるプッシュプル駆動信号を用いる自励発振駆動回路を含むことができる。電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランス上に補助コイルを含むこともできる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ダイオードを取り付けた、トランスの２次コイルのＡＣ信号からＤＣ電圧を生成するための整流器と、電圧調整用の電圧フィードバックネットワークとを含むこともできる。

電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータはさらに、自励発振機構の停止および始動用の制御回路を含むことができ、入力段にある逆極性保護用のダイオードを特徴とすることもできる。さらに制御回路はさらに、システムの電源内への放射ＥＭＩを抑制するためのビーズインダクタおよびバイパスコンデンサを含むことができる。

本発明の別の特徴は、電源の接続および切断に応答してスマート材料アクチュエータを能動的にそれぞれ充電および放電するためのスマート材料駆動回路を含む。スマート材料アクチュエータの充電および放電の少なくとも一方を能動的に制御するための駆動回路は、制御信号に応答するものとすることができる。

コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための本発明のさらに別の一実施形態は、スマート材料アクチュエータと、スマート材料アクチュエータに接続可能な電源と、電源への接続の除去に応答してスマート材料アクチュエータを能動的に放電させるためのスイッチ回路とを含む。さらに、スマート材料アクチュエータを能動的に充電するためのこのスイッチ回路は、電源の接続または制御信号の入力に応答するようにすることができる。スイッチ回路は、制御信号に応答してスマート材料アクチュエータの充電および放電の少なくとも一方を能動的に制御することができ、さらにＤＣ／ＤＣコンバータを制御する電圧コンパレータおよび電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むことができる。本発明によれば、スイッチは、充電負荷モード、保持負荷モード、および放電負荷モードの３つの動作モードを有することができる。したがって、本発明による、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための方法は、スマート材料アクチュエータを準備するステップと、電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータによってスマート材料アクチュエータを比例的に動作させるステップとを含む。本発明による、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための一代替方法は、スマート材料アクチュエータを準備するステップと、電源をスマート材料アクチュエータに接続するステップと、スイッチ回路による電源の接続の除去に応答して能動的にスマート材料アクチュエータを放電させるステップとを含む。

回路の電子設計、シミュレーションソフトウェア、および電子プロトタイピングを利用することによって、費用対効果が高く低電力でありながら最小数の構成要素を使用する解決手段の細部が実現される。この電子サブシステムを、機械的梃子作用を用いるスマート材料アクチュエータと組み合わせることによって、商業的に存続が見込まれる多目的で産業用途向けの比例式アクチュエータという解決手段がもたらされる。

本発明の他の応用例は、以下の本発明の実行を企図した最良の形態の説明を添付の図面と併せて読むならば、当業者には明らかとなるであろう。

本明細書での説明は添付の図面を参照しており、いくつかの図面では、同様の参照番号は同様の部分を表している。

図１は、スイッチング回路４４および制御回路６４に結合された専用電源１２を含む機械的梃子作用を用いる比例式スマート材料アクチュエータ（図示せず）制御用のシステム１０の電子回路図である。

この好ましい実施形態によれば、図１の専用電源１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、スイッチング回路と、可変の刺激電圧を供給する働きまたはアクチュエータを能動的に放電させる働きをする制御回路である。図２に最もよく示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２（１２は図２に示さない）は、逆極性保護ダイオード１８に給電するビーズインダクタ１６に接続された電源電圧１４を含む。ビーズインダクタ１６は、電源電圧１４に接続されたＮＰＮ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ）型トランジスタ２０のコレクタが発生するノイズを取り除くフィルタとして働く。ＮＰＮ型トランジスタ２０およびＮＰＮ型トランジスタ２２は、トランス２４用のプッシュプルドライバを形成する。抵抗器２６、２８、３０、および３２は、抵抗分圧器を形成し、ＮＰＮ型トランジスタ２０および２２の基本バイアスポイントを設定する。

トランス２４には、１次コイル２４ａおよび２次コイル２４ｂだけでなく、補助コイル２４ｃも巻かれている。補助巻線２４ｃ、トランス２４、抵抗器３４、３６、２８、およびコンデンサ３８、４０はフィードバック手段を形成し、ＮＰＮ型トランジスタ２０、２２のベースで発振を生じさせる。発振は、自励発振型のプッシュプルトランスドライバを形成している２個のＮＰＮ型トランジスタ２０、２２の間で位相が１８０度異なる。トランス２４の２次コイル２４ｂは、整流器４２に接続される。トランジスタ２２のベースが接地されると、自励発振機構が停止することに留意されたい。接地を外すと、自励発振機構は再始動する。図１に示すように、スイッチ回路４４は、指令を受けたときに、容量性負荷への電圧を能動的に制御することができる。

制御回路６４は、制御電圧および出力電圧をモニタして、ＤＣ／ＤＣコンバータをオンにするか、放電スイッチをオンにするか、それとも容量性負荷の現行の電圧レベルを保持するかを決定する。電源電圧が取り除かれた場合に容量性負荷を接地させる手段が、システム内に含まれる。

次に図３を参照すると、閉のときのスイッチング回路４４の動作上の特徴をより詳細に示すために、スイッチング回路４４を図１の回路図から独立させて示してある。スイッチ４８が閉のときには、電流は、電源５０からスイッチ４８を介してビーズインダクタ５２中を流れ、容量性負荷５４を充電する。また電流は、抵抗分圧ネットワーク５６内を流れ、ＮＰＮ型トランジスタ５８をオンにし、それによってＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対６０をオフにする。充電速度は、電源のインピーダンスおよび負荷５４のキャパシタンスによって決まる。抵抗器６２およびＮＰＮ型トランジスタ５８は、スイッチングされた電圧と制御信号の間のレベルトランスレータとして働くので、スイッチングされた電圧と制御信号とは電圧レベルが同じである必要がない。

次に図４を参照すると、スイッチ４８が開のときの、スイッチング回路４４の電流の流れが示されている。スイッチ４８が開のときには、電流は電源５０から流れない。また電流は、スイッチ４８を介して抵抗分圧ネットワーク５６内をアースまで流れ、ＮＰＮ型トランジスタ５８をオフにすることによってＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対６０をオンにし、それによって電流が抵抗器４６中を流れるようになり容量性負荷５４を放電させる。放電速度は、抵抗器４６および容量性負荷５４の値によって決まる。抵抗器６２およびＮＰＮ型トランジスタ５８は、スイッチングされた電圧と制御信号の間のレベルトランスレータとして働くので、スイッチングされた電圧と制御信号とは電圧レベルが同じである必要がない。

次に図５を参照すると、図１の制御回路６４の動作上の特徴をより詳細に示すために、制御回路６４を独立させて示してある。アナログ制御電圧は、抵抗器６６中を流れ、演算増幅器７０の入力部にダメージを与えないように事前に設定された電圧にツェナーダイオード６８によってクランプされる。さらに、抵抗器６６は抵抗分圧ネットワーク７２の一部である。ネットワーク７２は、２種類の電圧を導出する。一方の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を停止させるための基準電圧であり、もう一方は容量性負荷を能動的に放電させるための基準電圧である。演算増幅器７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２停止モードに関連する電圧コンパレータモードで使用される。演算増幅器７４は、電圧コンパレータモードで使用され、能動放電モードに関連している。抵抗器７６、７８、８０は、第２の抵抗分圧ネットワークを形成する。このネットワークは、容量性負荷の電圧をモニタし、電圧を導出する。演算増幅器７０、７４は、その電圧を、抵抗器６６、７２から導出される基準電圧と比較する。演算増幅器７０の正電極の電圧が負電極の電圧よりも高い場合には、増幅器の出力は正の飽和状態となり、ＦＥＴトランジスタ８２がオンになってＤＣ／ＤＣコンバータを停止させる。

演算増幅器７０の負電極の電圧が正電極の電圧よりも高い場合には、増幅器の出力は負の飽和状態となり、ＦＥＴトランジスタ８２がオフになってＤＣ／ＤＣコンバータを作動させる。演算増幅器７４の正電極の電圧が負電極の電圧よりも高い場合には、増幅器の出力は正の飽和状態となり、ＦＥＴトランジスタ８４がオンになって容量性負荷の能動的放電を生じさせる。演算増幅器７４の負電極の電圧が正電極の電圧よりも高い場合には、増幅器の出力は負の飽和状態となり、ＦＥＴトランジスタ８４がオフになる。このシステムでは、（１）ＤＣ／ＤＣコンバータがオン、容量性負荷の放電スイッチが開、（２）ＤＣ／ＤＣコンバータがオフ、容量性負荷の放電スイッチが開、（３）ＤＣ／ＤＣコンバータがオフ、容量性負荷の放電スイッチがオンという３つの異なる状態がある。

図１、図２、図３、図４および図５に示した実施形態では、構成要素をそれらの通電能力、電圧定格、および型式により選択した。他の適当な構成要素には、ＦＥＴ、小信号トランジスタ、パワートランジスタ、巻線抵抗器、薄膜抵抗器、炭素抵抗器、セラミックコンデンサ、タンタルコンデンサ、フィルムコンデンサ、巻線トランス、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）トランス、または大量生産向けに一般に使用される適当な構成要素の任意の組合せを含めることができる。例として挙げたこれらの材料は、優れた性能を発揮するが、適用例の要件に応じて構成要素の他の組合せを使用することが適切なこともある。また、この実施形態では、市販されている構成要素を示してある。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではないことが理解されるであろう。しかし一方では、添付した特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正および同等の構成を含むことが企図されている。特許請求の範囲には、法律によって認められる、このような修正および同等の構成をすべて包含するように最も幅広い解釈が与えられるべきである。

本発明が適用される能動的調節機能を有する電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータの電子回路図である。 本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの電子回路図である。 スイッチが閉のときの電流の流れを示す本発明の電子スイッチの電子回路図である。 スイッチが開のときの電流の流れを示す本発明の電子スイッチの電子回路図である。 本発明の制御回路の電子回路図である。

Claims (42)

1. スマート材料アクチュエータと、
   前記スマート材料アクチュエータを比例的に動作させるための電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータとを備えることを特徴とする、容量性負荷をあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための装置。
2. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、トランスの１次コイルに接続された、位相が１８０度異なる駆動信号を用いる自励発振駆動回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記トランス上に補助コイルをさらに備えることを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記トランス上に２次コイルをさらに備えることを特徴とする、請求項２記載の装置。
5. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記トランスの前記２次コイルのＡＣ信号からＤＣ電圧を生成する、ダイオードを取り付けた整流器をさらに備えることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、電圧調整用の電圧フィードバックネットワークをさらに備えることを特徴とする、請求項２記載の装置。
7. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、プッシュプルトランスドライバを形成する２個のＮＰＮ型トランジスタをさらに備えることを特徴とする、請求項２記載の装置。
8. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記自励発振機構を停止および始動させるための制御回路をさらに備えることを特徴とする、請求項２記載の装置。
9. 前記電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータが、入力段に逆極性保護用のダイオードをさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
10. 前記コンバータが、電源内への放射ＥＭＩを抑制するためのビーズインダクタおよびバイパスコンデンサの両方をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
11. 電源の接続および切断に応答して、前記スマート材料アクチュエータを能動的にそれぞれ充電および放電するためのスマート材料駆動回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
12. 制御信号に応答して、前記スマート材料アクチュエータの充電および放電のうちの少なくとも一方を能動的に制御するためのスマート材料駆動回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
13. 前記トランスが巻鉄心設計のものであることを特徴とする、請求項２記載の装置。
14. 前記トランスがＬＴＣＣ設計のものであることを特徴とする、請求項２記載の装置。
15. スマート材料アクチュエータと、
    前記スマート材料アクチュエータに接続可能な電源と、
    前記電源への接続の除去に応答して、前記スマート材料アクチュエータを能動的に放電させるためのスイッチ回路とを備えることを特徴とする、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための装置。
16. 前記電源の接続に応答して、前記スマート材料アクチュエータを能動的に充電するための前記スイッチ回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
17. 制御信号の入力に応答して、前記スマート材料アクチュエータの充電および放電を能動的に制御するための前記スイッチ回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
18. 制御信号に応答して、前記スマート材料アクチュエータの充電および放電のうちの少なくとも一方を能動的に制御するための前記スイッチ回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
19. 前記スイッチが、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する電圧コンパレータおよびＦＥＴトランジスタをさらに備えることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
20. 前記スイッチが、充電負荷モード、保持負荷モード、および放電負荷モードの３つの動作モードを有することを特徴とする、請求項１９記載の装置。
21. 前記スイッチが、前記スマート材料アクチュエータの能動的放電を制御する電圧コンパレータおよびＦＥＴトランジスタをさらに備えることを特徴とする、請求項１５記載の装置。
22. 前記スイッチが、充電負荷モード、保持負荷モード、および放電負荷モードの３つの動作モードを有することを特徴とする、請求項２１記載の装置。
23. スマート材料アクチュエータを準備するステップと、
    電圧制御式ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記スマート材料アクチュエータを比例的に動作させるステップとを含むことを特徴とする、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための方法。
24. 位相が１８０度異なる駆動信号を用いる自励発振駆動回路をトランスの１次コイルに接続するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の方法。
25. 前記トランスに補助コイルを提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
26. 前記トランスに２次コイルを提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
27. 前記トランスの前記２次コイルのＡＣ信号からＤＣ電圧を生成するダイオード整流器を取り付けるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２６記載の方法。
28. 電圧調整のための電圧信号をフィードバックするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
29. プッシュプルトランスドライバを形成する２個のＮＰＮ型トランジスタを提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
30. 制御回路によって前記自励発振機構を停止および始動するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
31. 逆極性保護用のダイオードを入力段に提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の方法。
32. ビーズインダクタおよびバイパスコンデンサの両方によって電源内への放射ＥＭＩを抑制するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の方法。
33. スマート材料駆動回路により電源の接続および切断に応答して前記スマート材料アクチュエータを能動的にそれぞれ充電および放電するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の方法。
34. スマート材料駆動回路により制御信号に応答して前記スマート材料アクチュエータの充電および放電のうちの少なくとも一方を能動的に制御するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載の方法。
35. スマート材料アクチュエータを準備するステップと、
    前記スマート材料アクチュエータに電源を接続するステップと、
    スイッチ回路により前記電源への接続の除去に応答して前記スマート材料アクチュエータを能動的に放電させるステップとを含むことを特徴とする、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための方法。
36. 前記スイッチ回路により前記電源の接続に応答して前記スマート材料アクチュエータを能動的に充電するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３５記載の方法。
37. 前記スイッチ回路により制御信号の入力に応答して前記スマート材料アクチュエータの充電および放電を能動的に制御するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３５記載の方法。
38. 前記スイッチ回路により制御信号に応答して前記スマート材料アクチュエータの充電および放電のうちの少なくとも一方を能動的に制御するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３５記載の方法。
39. 電圧コンパレータおよびＦＥＴトランジスタによってＤＣ／ＤＣコンバータを制御するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３５記載の方法。
40. 前記スイッチが、充電負荷モード、保持負荷モード、および放電負荷モードの３つの動作モードを有することを特徴とする、請求項３９記載の方法。
41. 前記スイッチにより前記スマート材料アクチュエータの能動的放電を制御するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３５記載の方法。
42. 前記スイッチが、充電負荷モード、保持負荷モード、および放電負荷モードの３つの動作モードを有することを特徴とする、請求項４１記載の方法。

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